4. Насосные штанги

Насосные штанги, свинченные в штанговую колонну, пере­дают возвратно-поступательное движение от точки подвеса штанг поверхностного привода к плунжеру насоса.

Штанга представляет собой стальной стержень круглого се­чения диаметром 12, 16, 18, 22, 25 мм, с высаженными концами. На концах штанги имеется участок квадратного сечения для захвата под ключ при свинчивании-развинчивании, и выпол­нена резьба метрическая специальная, причем резьба накаты­вается. Штанги соединяются между собой муфтами.

ГОСТ 13877-80 предусматривает изготовление штанг номи­нальной длиной 8000 мм. Для подбора необходимой длины под­вески колонны изготовляются укороченные штанги длиной 1000, 1200, 1500, 2000 и 3000 мм.

Для соединения штанг одинаковых размеров выпускают сое­динительные муфты, а штанг разных размеров - переводные муфты. Муфты каждого типа изготовляют в двух исполнениях: с лысками под ключ и без них.

Муфты из стали марок 40 и 45 подвергают поверхностной закалке током высокой частоты (ТВЧ). Для тяжелых условий эксплуатации муфты изготовляют из легированной стали мар­ки 20Н2М.

Штанги поставляют с навинченными на один конец муф­тами. Открытая резьба штанги и муфты защищается колпач­ками или пробками.

Для изготовления насосных штанг (табл. 5.16) используют сталь следующих марок:

40, нормализованная и нормализованная с последующим по­верхностным упрочнением нагревом ТВЧ;

20Н2М (никель-молибденовая), нормализованная, нормали­зованная с последующим поверхностным упрочнением нагре­вом ТВЧ или нормализованная с последующей объемной за­калкой и высоким отпуском;

15Н3МА, нормализованная с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ;

15Х2НМФ, закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск;

30ХМА, нормализованная с последующим высоким отпуском и упрочнением нагревом ТВЧ.

В начале 70-х годов разработаны стеклопластиковые насос­ные штанги (СПНШ) для использования в скважинах с корро­зионно-активной средой. Конструкция их аналогична сталь­ным. Основная особенность - при одинаковой прочности они в 3-4 раза легче стальных, но в 2-3 раза эластичнее. Обычно их используют (в сочетании со стальными) в глубоких скважинах (более 2000 м).

Производители - зарубежные фирмы, связанные с произ­водством фибергласа, и отечественные заводы, выпускающие стекловолокна.

Полые штанги предназначены для передачи движения от головки балансира станка-качалки плунжеру скважинного на­соса при непрерывной или периодической подаче в полость насосных труб ингибиторов коррозии, ингибиторов против от­ложения парафина, растворителей парафина, теплоносителей, деэмульгаторов, жидкости гидрозащиты насоса. Продукция скважины при этом может отбираться как по центральному каналу полых штанг, так и по кольцевому пространству между полыми штангами и НКТ.

Техническая характеристика полых штанг

Диаметр наружный, мм

Толщина стенки, мм

Диаметр наружной муфты, мм

При применении полых штанг изменяется конструкция обо­рудования устья скважин, в состав которого входят устьевой сальник для полых штанг, устьевой полый шток, трубопровод шарнирный, рукав высокого давления и др.

Штанговая колонна работает в тяжелых условиях, на нее действуют агрессивная скважинная среда и переменные на­грузки, приводящие к накоплению усталостных явлений в штанговой колонне. Кроме этого, колонна штанг изнашивается вследствие трения об НКТ при эксплуатации в наклонно на­правленных скважинах.

На штанговую колонну действуют следующие нагрузки:

статические - вес штанговой колонны с учетом силы плаву­чести и вес столба жидкости над плунжером высотой от дина­мического уровня жидкости, за вычетом объема, занимаемого штанговой колонной;

динамические - силы инерции движущихся масс штанговой колонны и жидкости, так как их движение осуществляется с ускорением, а также силы вибрации, обусловленные волновы­ми явлениями, возникающими в штанговой колонне при работе насоса.

При работе штанговой колонны в наклонно направленных скважинах и при откачке высоковязких жидкостей, эмульсий необходимо учитывать силы трения штанговой колонны о тру­бы и жидкость, так как их значение может быть соизмерено с весом колонны.

Наибольшие растягивающие напряжения действуют в верх­ней части колонны, наименьшие - в нижней. Однако в нижней части колонны могут возникнуть и сжимающие напряжения при ходе вниз при откачке вязких жидкостей и эмульсий. Это отрицательно влияет на долговечность работы штанговой ко­лонны, поэтому в этих условиях данный участок усиливают, т.е. применяют тяжелые штанги или штанги большего диа­метра.

Возможно применение и специальных насосов с утяжелите­лем низа штанговой колонны.

Разрушение штанговой колонны носит усталостный харак­тер. Промысловый опыт показал, что чаще всего штанга обры­вается на участках 25-35 см, прилегающих к головкам, т.е. там, где максимальные концентраторы напряжений и где мо­

жет возникнуть изгибающий момент от возможной несоосности тела и головки штанги.

Долговечность штанг снижается при работе в коррозионной среде.

За рубежом штанги и муфты к ним выпускаются по стан­дарту АНИ11В. Согласно данному стандарту насосные штанги различают лишь по показателям прочности на растяжение. Выбор материала, методов упрочнения, технологических при­емов изготовления, повышающих надежность штанги, стандар­том не оговорены и оставлены на усмотрение изготовителя. Последнее особенно сильно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому при приобретении штанг этому необходимо уделять особое внимание. По показателям прочнос­ти стандарт АНИ разделяет штанги на классы.

Класс АНИК. Предел прочности на растяжение - минимум 85 000 фунтов на квадратный дюйм (590 МПа), максимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа).

Класс АНИС. Предел прочности на растяжение - минимум 90 000 фунтов на квадратный дюйм (630 МПа), максимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа).

Класс АНИД. Предел прочности на растяжение - минимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа), максимум 140 000 фунтов на квадратный дюйм (969 МПа).

Обычно применяются углеродисто-марганцевые стали для класса С, никелемолибденовые улучшенные стали для класса К и хромомолибденовые улучшенные стали для класса Д.

Квадрат штанги маркируется твердым штампом, где указыва­ется фирменный знак изготовителя, обозначение стандарта, класс АНИ, код идентификации расплава, месяц и год изготов­ления.

На рис. 5.31 представлен общий вид штанги, а в табл. 5.17 даны размеры штанги по стандарту АНИ11В [14].

Стандартом предусмотрен выпуск штанг для подгонки колонны (pony rods) длинами 2, 4, 6, 8, 10 и 12 футов (61, 122, 183, 244, 305, 366 см).

Резьбы готовых для отгрузки штанг смазываются специаль­ной смазкой и защищаются пластмассовыми колпачками и заглушками.

По стандарту АНИ предусмотрен выпуск муфт, которые могут выполняться с лыской под ключ или без нее (рис. 5.32, табл. 5.18).

Видно, что для штанг ⁵/₈, ³/₄, ⁷/₈ и 1,0 дюйма длина муф­ты одинакова - 101,6 мм (4 дюйма). Ниппельная же часть штанги при этом увеличивается. Поэтому при смазывании резьбовых соединений внутренняя полость муфты может пере­полниться смазкой, что препятствует свинчиванию соедине­ния. Поэтому обильная смазка резьбовых соединений не реко­мендуется .

На долговечность штанговой колонны большое влияние ока­зывает момент свинчивания резьбового соединения. Прочность резьбового соединения должна быть не меньше прочности тела штанги.

Правильно свинченное резьбовое соединение должно созда­вать на упорных торцах муфты и ниппеля такие сжимающие

напряжения, чтобы при работе соединения в скважине макси­мально возможное растягивающее усилие в штангах не могло разжать и раскрыть стык. При сборке соединения необходимо очищать и смазывать резьбу. Как указывается в работе [14], это сильно влияет на правильность сборки соединения, так как из 100 % крутящего момента лишь 10 % расходуется на со­здание сжимающих напряжений, остальные - на трение.

Для правильного свинчивания колонны необходимо приме­нять специальные механические ключи. Свинчивание вручную штанговой колонны не позволяет достичь требуемых моментов.

Например, для штанги ⁷/₈ дюйма необходимый крутящий мо­мент составляет по данным [14] около 70 кг-м, или при длине рукоятки ключа 0,5 м усилие, прикладываемое рабочим, долж­но быть не менее 140 кг, что невозможно при серийных опера­циях.

Как уже указывалось ранее, на долговечность работы колон­ны большое влияние оказывает технология производства штан­ги и применяемые при изготовлении методы упрочнения, осо­бенно состояние наружной поверхности тела штанги. Изготов­ление штанг без упрочнения может привести к образованию микротрещин на теле штанги, которые выступают концентра­тами напряжений и очагами коррозии.

Появление микротрещин может происходить вследствие не­осторожного обращения со штангами в процессе их транспор­тировки, спускоподъемных операциях и др. Поэтому существу­ют специальные требования стандарта АНИ по обращению со штангами [14].

Правила обслуживания и обращения с насосными штан­гами.

1. При транспортировке и эксплуатации штанг необходимо, чтобы штанги и их концы не ударялись ни обо что, могущее вызвать вмятины или изгиб штанг. Повреждение резьбы предупреждается путем установки предохранительных колпач­ков и заглушек. Вмятины, искривления или изгиб штанг считаются неисправимыми дефектами и требуют забраковки штанг.

2. Штанги следует по возможности транспортировать и складировать в упаковке до момента установки их в скважине. Для распаковки штанг необходимо пользоваться подходящим инструментом, не повреждающим штанги. В особенности сле­дует опасаться изгиба штанг.

3. Ни в коем случае нельзя бить молотком по предохрани­тельным колпакам резьбы муфты или по самим муфтам, по вы­саженным концам или лыскам под ключ. Один-единственный удар может повредить любую часть штанги или муфты на­столько, что возникает опасность ее преждевременного разру­шения.

4. На эксплуатационную вышку или мачту агрегата штанги следует затаскивать поштучно, с особой внимательностью, сле­дя, чтобы штанги не ударялись о землю, мостки либо другую часть вышки или мачты. Кроме того, необходимо предупредить чрезмерное изгибание штанг во время их затаскивания.

5. Для предотвращения неправильного свинчивания необхо­димо установить вышку или мачту агрегата таким образом, что­

6. бы штанга находилась точно над центром скважины, когда она свободно висит на элеваторе.

7. Когда резьба ниппеля штанги попадает на муфту, штанга должна висеть совершенно прямо, чтобы предупредить косую посадку резьбы. В случае косой посадки необходимо разъеди­нить соединение и обработать ниппель плашкой, а муфту - метчиком. Затем очистить резьбы, проконтролировать их со­стояние и вновь смазать.

8. Если для свинчивания или развинчивания штанговых со­единений применяются ручные ключи, следует применять только ключи, пригодные для данной работы. Для свинчива­ния, например, рекомендуют применять два ключа с рукоятка­ми соответствующей длины. Как правило, три или четыре сильных удара опытного рабочего дают достаточный крутящий момент.

9. С целью достижения наилучшего равномерного вращаю­щего момента рекомендуется применять пневматические или гидравлические штанговые ключи. При помощи этих ключей уда­ется прикладывать равномерный момент свинчивания. Не допу­скается многократная перестановка ключа после попадания опор­ных поверхностей друг на друга, потому что этим создаются вращающие моменты, значительно превышающие расчетные.

10. Для получения удовлетворительного свинчивания резьбо­вых соединений насосных штанг, резьбы должны быть чисты­ми, без повреждений и хорошо смазанными. Резьбы должны легко свинчиваться до упора, чтобы передаваемый вращающий момент создавал предварительную затяжку, предотвращающую разъединение контактных поверхностей во время работы насоса.

11. Важнейшее значение имеет техническое состояние авто­матических ключей. Крайне важно периодически контролиро­вать все моментомеры и общее состояние всего ключа в целом, потому что в ином случае могут получиться совершенно другие результаты.

12. При разъединении соединений (в особенности ручными ключами) ни в коем случае нельзя ударять молотком по штанге и муфте. Если не удается разъединить соединение обычным путем, следует пользоваться соответствующими ключами с ру­коятками и удлинителями.

13. Каждую муфту, по которой ударяли молотком, следует отбраковать. Перекручивание соединения повреждает опорные поверхности муфты и штанги, кроме того, могут произойти срыв резьбы ниппеля и образование трещин на закаленных поверхностях.

14. При свинчивании следует обращать внимание на то, чтобы муфта плотно прилегала к бурту штанги. В случае отсутствия плотного прилегания необходимо разъединить со­единение, очистить, проконтролировать и вновь смазать.

15. Если штанговая колонна демонтируется, то перед по­вторным монтажом штанги следует тщательно проконтролиро­вать на дефекты. Штанги с насечками, искривленные или изо­гнутые, имеют неисправимые дефекты и должны быть забрако­ваны.

16. При развинчивании соединения нельзя повреждать резьбы и бурты.

17. Если нет устройства для подвески штанг на вышке или мачте, демонтаж производится по одной штанге с последующей укладкой без провисания. При этом следует действовать с та­кой же осторожностью, что была указана выше относительно обращения с новыми штангами.

Для длительной работы штанговой колонны необходимо уметь правильно ее рассчитать и подобрать. За рубежом полу­чили распространение различные методы расчета штанговых колонн. За критерии выбора штанговой колонны берутся сле­дующие показатели:

штанговая колонна должна быть легкой и прочной и выдер­живать переменные нагрузки;

штанговая колонна не должна сильно растягиваться при на­гружении, так как это ведет к увеличению потерь хода плун­жера, а также к увеличению динамических нагрузок, действу­ющих на нее;

штанговая колонна с большой долей вероятности должна обеспечивать безаварийную работу в течение заданного срока эксплуатации.

Известно, что разрушение штанговой колонны носит уста­лостный характер, поэтому большее распространение получи­ли методы расчета, основанные на расчете на усталость.